Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where."— Transkript prezentace:

1 1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet the atoms and molecules of the natural world.“ (Professor Eugen Wong, Assistant Director of the National Science Foundation, 1999)

2 2 Obsah přednášky (2014) 1. Motivace : New semantic wave 1.2 Nanostruktury v přírodě 1.3 Nanotechnologie vytvořené člověkem: historie – současnost – budoucnost 2. Top-down vs. Bottom-up: dva přístupy k nanoobjektům 2.1 Metrika nanosvěta 2.2 Přístup Top-down 2.3 Přístup Bottom-up 2.4 Příklady (struktura, hustota, kohezní energie, teplota tání) 3. Teorie vs. Experiment 3.1 Struktura a velikost částic 3.2 Teplota tání nanočástic 4. Koncept předmětu 4.1 Proč ? 4.2 Co a jak ? 5. Literatura – další zdroje informací

3 3

4 4 Motivace

5 5 Motivace = tj. 19,8 % (2013) Nanoparticle(s)

6 Motivace Nanoscience & Nanotechnology Počet dokumentů v databázi Scopus

7 7 Nanostruktury v přírodě - příklady Morpho cypris Morpho didius iridescence goniochromism

8 8 Nanotechnologie - historie

9 9 Nanotechnologie - současnost

10 10 Nanotechnologie - současnost Elektronika Paměťová média (oxidy, FePt, …) Si komponenty, polymery QD (ZnS, CdSe), lasery, biosenzory MedicínaFarmacie Nanočástice jako kontrastní diagnostická media Nanosystémy pro transport léčiv Nanostrukturované biomateriály, nanomembrány pro dialýzu Chemickýprůmysl Katalyzátory a fotokatalyzátory Nanostrukturovaný uhlík Pigmenty, ferofluidy Energetika Li-iontové akumulátory (LiCoO 2, LiMn 2 O 4, Li 4 Ti 5 O 12, …) Fotovoltaika (ZnO, TiO 2 ) Materiály pro akumulaci vodíku (hydridy, C-nanostruktury) Automobilovýprůmysl Katalyzátory výfukových plynů Barvy a laky, ochranné povlaky Saze do pneumatik Ostatní Textilní nanovlákna, antibakteriální úprava textilií Kosmetika (deodoranty, antiperspiranty, prostředky na opalování, …) Nanomembrány pro čištění odpadních vod, Fe-np pro čištění odpadních vod

11 11 Je to bezpečné ? toxický účinek na buňky Oxidační stress zvýšená tvorba radikálů obsahujících kyslík (ROS)

12 Je to bezpečné ? buňky plicního epitelu 18 hod expozice 40 a 80  g/mL separace buněk identifikace mrtvých buněk (trypan blue)

13 13 Je to bezpečné ? ledvina slezina Cu 23,5 nm LD mg/kg (nano) – jako Cu 2+ >5000 mg/kg (mikro)

14 14 Co je NANO ? Terminologie - Prefix NANO – z řeckého slova nanos = trpaslík (latinsky nanus) - NANO = NANOmetr = m (nanosekunda, …) - NANOtechnologie - NANOmateriály - NANOčástice (0D), NANOvlákna (1D), NANOvrstvy (2D) - NANOstrukturované materiály - NANOkompozitní materiály - NANOporézní materiály

15 15 Na velikosti záleží ! Hustota, koeficient teplotní roztažnosti, koeficient objemové stlačitelnosti Kohezní energie, mřížková energie Povrchová energie, povrchové napětí Teplota vypařování/sublimace, tání, strukturních transformací Entalpie vypařování/sublimace, tání, strukturních transformací Tenze nasycených par Entalpie, Gibbsova energie a rovnovážná konstanta chemických reakcí Rozpustnost a vzájemná mísitelnost Aktivační energie adsorpce a aktivační energie chemických reakcí Katalytická aktivita a selektivita Debyeova teplota, molární tepelné kapacity Energie vzniku vakancí, aktivační energie difúze Tepelná vodivost Curioeva teplota, Neélova teplota, teplota přechodu do supravodivého stavu Šířka zakázaného pásu polovodičů …

16 16 Na velikosti záleží ! Au

17 17 Metrika nanosvěta

18 18 Geometrie koule 1 kg zlata (ρ = 19,3 g cm -3 ) objem V = 51,81 cm 3 koule o průměru d = 4,63 cm povrch A = 67,35 cm 2 poměr A/V = 1,30 cm -1 1 kg zlata (ρ = 19,3 g cm-3) objem V = 51,8 cm koulí o průměru d = 4,63 mm celkový povrch A = 673,5 cm 2 poměr A/V = 13,0 cm -1 Metrika nanosvěta Au

19 19 Podíl povrchových atomů - disperze η (surface-to-volume ratio) Metrika nanosvěta

20 20 Top-down Bottom-up Bottom-up Vztahy platné pro částice (individuální vlastnosti jednotlivých atomů/molekul) jsou „extrapolovány“ na nanoobjekty Top-down Vztahy platné pro makroobjekty (kolektivní vlastnosti velkého počtu atomů/molekul) jsou „extrapolovány“ na nanoobjekty Top-down vs. Bottom-up

21 21 Top-down vs. Bottom-up 100 nm10 nm1 nm Klasická termodynamika Ab-initio Semiempirické MD výpočty POZOR Existují určitá omezení v přístupu top-down, např. klasickou „rovnovážnou termodynamiku“ nelze užít pro nanočástice menší než cca 3-4 nm.

22 22 Teorie: Top-down Teorie platné pro makroskopické objekty jsou extrapolovány na objekty velmi malých rozměrů, přičemž rozměr objektu se stává další proměnnou: Klasická termodynamika rovnovážných soustav. Dynamika krystalové mříže na základě Einsteinova resp. Debyeova modelu (kvantově-mechanický popis atomárních vibrací). Mechanika elastického kontinua. …

23 23 Teorie: Bottom-up

24 24 Quantum mechanics Empirical potentials Tlak Teplota Quasiharmonic approximation Equation of state (EOS) Teorie: Bottom-up

25 25 Top-downBottom-up Struktura nanočástic Wulffova konstrukce: min F surf, anizotropie povrchové energie Kvazikrystalické klastry, optimalizace geometrie výpočtem, „magická čísla“ Hustota nanočástic Youngova-Laplaceova rovnice, izotropní komprese elastického kontinua Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet d A-A ab-initio (do  10 3 atomů) resp. MD (do  10 6 atomů) Kohezní energie Nanočástice jako „malá částice“, korekce na menší počet vazeb povrchových atomů Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet E tot ab-initio (do  10 3 atomů) resp. MD (do  10 6 atomů) Teplota tání nanočástic Lindemannova teorie (msd = f(r)) T fus(r) /T fus(∞) = E coh(r) /E coh(∞) Rovnováha (s)-(l) Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet E tot (T ) ab-initio (do  10 3 atomů) resp. MD (do  10 6 atomů) Top-down vs. Bottom-up

26 26 Experiment - XRD - Poloha píku (2θ) → parametry elementární buňky (Braggova rovnice) → meziatomové vzdálenosti. - Šířka píku v polovině výšky → velikost nanočástic (Debye- Scherrerova rovnice). Teorie vs. experiment Struktura a velikost nanočástic Teorie – MD simulace

27 27 Teorie vs. experiment Teplota tání nanočástic Teorie – termodynamika J.J. Thomson (1888) P. Pawlow (1909) Experiment – DSC, ED, TEM M. Takagi (1954) – Pb, Sn, Bi (ED) Au Sn

28 28 Teorie vs. experiment Teplota tání nanočástic Cu Teorie – MD simulace

29 29 Experiment Mikroskopické metody CLSM – morfologie SEM – topologie/morfologie povrchu EPMA – lokální chemická analýza TEM/HRTEM – tvar a velikost částic Spektroskopické metody XRF – chemické složení Fotoelektronová spektroskopie (XPS, AES) – chemické složení povrchu RTG absorpční spektroskopie (XAS, EXAFS, XANES) – lokální atomová a elektronová struktura (CN, NND) FTIR, RS, SERS Difrakční metody RTG difrakce (XRD, SAXS) – struktura, velikost nanočástic SAED – lokální strukturní analýza (tání) RHEED – struktura povrchu LEED – struktura a vazebné poměry na povrchu (adsorpce) ND – struktura Další metody STM, AFM – topologie/morfologie povrchu DTA/DSC – termofyzikální a termochemické vlastnosti BET – stanovení velikosti povrchu SIMS – chemické složení DLS – velikost částic v suspenzích

30 30 Experiment V některých případech je experiment neproveditelný nebo jen velmi obtížně proveditelný: Stanovení hodnot povrchové energie/napětí pro různé krystalografické roviny (hkl). Stanovení prostorového rozložení meziatomových vzdáleností a vazebných energií. …

31 31 Koncept předmětu – Proč ? Příprava Vlastnosti SloženíStrukturaTvarRozměr Jak závisí fyzikální a chemické vlastnosti na SSTR nanomatriálů Jak podmínky přípravy a zpracování ovlivňují SSTR nanomateriálů

32 32 Bezolovnaté pájky 183 °C Sn–3.0Ag–0.5Cu (wt.%) °C

33 33 Řízený tvar nanočástic Depozice Cu na SrTiO 3 electron-beam evaporation Analýza STM

34 34 Aktivita a selektivita katalyzátorů Activation energies for the electron-transfer reaction between hexacyanoferrate(III) ions [Fe(CN) 6 ] 3+ and thiosulfate ions (S 2 O 3 ) 2- in a colloidal solution ( K). 4,8 ± 0,1 nm 7,1 ± 0,2 nm 4,9 ± 0,1 nm

35 35 Aktivita a selektivita katalyzátorů

36 36 Aktivita a selektivita katalyzátorů

37 37 Zvýšená rozpustnost účinných látek v lécích

38 38 Developing nanoparticle formulations of poorly soluble drugs Vijaykumar Nekkanti, Pradeep Karatgi, Mahendra Joshi, Raviraj Pillai Pharmaceutical Technology Europe Ketoconazol (imidazol) Účinná látka k léčbě plísňových a kvasinkových infekcí obsažen v přípravcích Nizoral Zvýšená rozpustnost účinných látek v lécích

39 39 Koncept předmětu – Ca a jak ? https://student.vscht.cz/predmety/index.php?do=predmet&kod=N Struktura a p-V-T chování 1.1 Pevné látky (atomová struktura, p-V-T chování) 1.2 Povrch pevných látek (atomová struktura, povrchová energie, povrchový stress) 1.3 Nanoobjekty (atomová struktura, p-V-T chování) 2. Kohezní energie nanočástic 2.1 Závislost kohezní energie na velikosti částic 2.2 Korelace kohezní energie a dalších veličin (teplota tání) 3. Dynamika krystalové mříže 3.1 Vibrace atomů, Lindemannova teorie tání 3.2 Tepelné kapacity 4. Termodynamický popis fázových rozhraní a fázové rovnováhy v jedno- a dvousložkových systémech 4.1 Gibbsův popis fázových rozhraní 4.2 Jednosložkové systémy: tání a fázové transformace v pevném stavu 4.3 Dvousložkové systémy: rovnováhy (s)-(l), rozpustnost nanoobjektů 5. Chemické rovnováhy 5.1 Adsorpce na povrchu nanomateriálů 5.2 Reakce (s)-(g) - povrchová oxidace kovů, depozice z plynné fáze 5.3 reakce (s)-(l) – rozpouštění pevných láte

40 40 Návaznost na další předměty Navazující magisterské studium fakulty FCHT Studijní program: Studijní program: Chemie materiálů a materiálové inženýrství Studijní obory: Studijní obory: Nanomateriály, Materiály pro elektroniku N Chemie a fyzika pevných látek (struktura, vazba, mechanické a tepelné vlastnosti) N Přenosové jevy v materiálovém inženýrství (difúze) N Termodynamika materiálů (termodynamické funkce a vztahy mezi nimi, fázové rovnováhy v jedno- a dvousložkových systémech, chemická rovnováha, … Bakalářské studium fakulty FCHT Studijní program: Studijní program: Aplikovaná chemie a materiály Studijní obor: Studijní obor: Chemie a technologie materiálů N Základy nanomateriálů N Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav

41 41 Zdroje informací Ú-126 → Studium → Studijní materiály

42 42 Zdroje informací Ú-126 → Studium → Studijní materiály

43 43 Zdroje dalších informací Další studijní opory Knihovna VŠCHT (http://lib-c.vscht.cz/)http://lib-c.vscht.cz/ Slova z názvu: 111 záznamů (tištěná kniha) 155 záznamů (E-kniha) nano?

44 44 Zdroje dalších informací Další studijní opory Knihovna VŠCHT – E-časopisy ( ) Slova z názvu: 90 záznamů nano

45 45 Zdroje dalších informací

46 46 Na velikosti záleží !


Stáhnout ppt "1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where."

Podobné prezentace


Reklamy Google